深度解析:清华大学探索石墨烯基础研究的新高地

永利游戏网站2017年6月7日讯  石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为"黑金",是"新材料之王",科学家甚至预言石墨烯将"彻底改变21世纪"。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

近年来,石墨烯因其独特的单原子厚度二维结构以及在强度、柔韧性、导电、导热等方面的优异表现而备受关注,在材料、能源、信息、环境等领域都有着广泛应用。面向以工业4.0为代表的新工业革命,关于石墨烯的制备、开发和应用研究面临着新的机遇和挑战。

2017年1月,在人民大会堂举行的国家科学技术奖励大会上,石高全和他的团队凭借“化学修饰石墨烯可控组装与复合的基础研究”这一项目获得2016年度国家自然科学奖二等奖。该项目主要研究了化学修饰石墨烯的大分子行为,建立了石墨烯化学修饰、可控组装与复合的新方法,研制了系列石墨烯功能材料并探索了其在能源领域中的应用,为揭示化学修饰石墨烯结构与性能的关系、构建新型石墨烯功能材料、推进其工业化进程提供了重要的知识积累、理论基础与技术支撑。

十年长路 求索不止

石墨烯本来就存在于自然界,但却难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,而单层石墨烯的性能与石墨却有着天壤之别。如何剥离出单层的石墨烯,在十多年前面临着重重困难。

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石高全与石墨烯结缘是在一次学术会议上。一位物理学家在会议上介绍了物理剥离石墨烯的方法:先从石墨中剥离出石墨片,然后把薄片的两面粘在特殊的胶带上,撕开胶带就能把石墨片一分为二。如此反复多次,薄到只有一个碳原子的厚度时,石墨烯就制成了。“这种制备方法成本十分高昂,我开始思考能不能用化学方法制备石墨烯”,石高全说。石高全后来查阅文献时发现,当时已有的化学制备方法主要运用氧化剥离的方法,但这种方法制备出的石墨烯不能在溶剂中分散和溶解。博士阶段专注于一维共轭高分子材料研究的石高全敏锐地发现,石墨烯从结构上可以看成是二维共轭高分子。于是,石高全及其团队将石墨烯作为二维共轭高分子进行研究的漫漫长路就此开始。

对共轭高分子的研究从一维转向二维层面,既是石高全对自己研究领域的拓展,又面临着巨大的挑战。“做研究没什么特别的,我们一步一步向前走,以解决基本的科学问题为目的”,石高全回忆十年来对石墨烯的研究时说。石高全团队对石墨烯的研究从2007年开始,2008年团队在国际期刊发表了第一篇研究论文。十年来,团队发表与石墨烯相关的SCI论文115篇,论文被引用15000多次,申请相关专利6项,已授权3项。然而在石高全看来,论文发表只是研究实现突破的客观结果,不必刻意追求,真正支撑他坚持至今的有更深层的动力。他说:“石墨烯结构独特,性能出色,一直吸引着我不断去探索。而作为二维的分子,大家对石墨烯的认识还不是很清楚,它的应用还有赖于基础研究的突破,所以我们要一直做下去。”

精诚合作 薪火相传

石高全组建了一支以研究生为主干力量、充满活力的年轻队伍。谈起研究取得突破的诀窍,他说:“一个团队就像一个家庭,精诚合作、氛围融洽十分重要。”

石高全的团队正是这样一支精诚合作的团队。“课题组每个学生的课题都不一样,不存在竞争关系,而是互相关联、互相配合。从石墨烯的制备、修饰到石墨烯在传感器、催化剂、驱动器件的应用等,每个人都有明确的分工”,石高全说。

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放手让学生去做研究是石高全培养学生的一贯作风。在对学生进行一系列训练后,便充分发挥学生的积极性。石高全把他的团队比作一支足球队:“老师要扮演的角色是足球队的教练,他不会在场上踢球,但要有发现问题的敏锐性和把控方向的能力。学生要冲到第一线,处理每一个细节,比如观测实验现象并清楚它的意义等。作为老师,我们会及时纠正学生在研究方向上的错误,适当改变他们的研究策略,防止他们走弯路。”

凭着齐心协力、勤奋钻研的干劲儿,石高全团队攻下了石墨烯领域一个又一个科研难题。每天8点之前到实验室,每星期工作6天,石高全坚持严格执行这样的作息时间,带动实验室团队不断奋进。每天十几个小时的科研时间里,石高全并不要求学生一直做实验,“我常跟学生们说,希望你们用一半的时间去思考,没有思考的研究往往会犯很多错误。不能做原理不通或者一味求新的实验。做实验之前一定要问,做了之后谁会受益,意义何在。”

在攻坚克难的过程中,石高全十分重视对学生的培养。“老师最大的动力和幸福感来源于培养学生解决问题的能力”,石高全说。据了解,石高全有二三十个学生从事教学科研工作,还有的学生在工业界发挥着重要作用。

基础研究 魅力无限

团队经过多年的悉心灌溉,终于收获了创新的果实。团队创造性地提出了具有共轭结构小分子或高分子非共价修饰制备水溶性石墨烯的新方法。简而言之就是采用非共价修饰的方法在石墨烯的表面修饰一些基团,让它从不溶解的状态变成可溶的状态,同时保留石墨烯本身的性能和结构,并赋予它新的功能。这一新方法为发展和完善可溶性石墨烯制备技术提供了新思路。

同时,团队在国际上率先开展了化学修饰石墨烯溶液组装行为、三维组装结构与性能的研究,制备了系列具有多维度、多级次微结构的石墨烯块体材料,并探索了其应用。“把石墨烯作为组装的基元,搭成三维组装的结构,最大限度地保持它的比表面积和单片的性质,可以做成薄膜、水凝胶、柔性电子器件等,这在国际上也是具有开创性的”,石高全说。

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项目的成果不止于此。团队还建立了制备化学修饰石墨烯复合材料的新策略,揭示了复合组份与石墨烯片间的协同作用机理。团队将石墨烯和其他组分组装复合,再加工成型,使其性能最大化。此项突破为开展石墨烯复合材料研究开辟了新方向,也为推动石墨烯材料在能源器件中的应用作出了重要贡献。

虽然取得了瞩目的成绩,石高全仍在石墨烯的研究领域深耕不辍。谈及原因,石高全说:“现在要做的事情还有很多。将实验室的成果与现有的工艺结合起来做成产品的过程中会遇到很多问题,比如新的材料不能完美适应现有的工艺、性价比不高等。原材料和工艺都要建立一套新的体系,而最重要的是从原材料本身进行研究和控制。”

团队关于石墨烯的研究是一项重要的基础研究,也就注定取得突破需要长时间的付出。基础研究可以说贯穿了石高全到目前为止的整个研究生涯,并将一直延续下去。石高全说:“基础研究无止境,任何时候都不能说已经把事物都认识透彻了。现在石墨烯的应用不够完善的原因,恰恰在于它的基本问题没有被解释得很清楚。只有在基础研究完善的情况下才能实现应用的突破,因为基础研究是知识创新的源头。”

“板凳一坐十年冷”,带着对基础研究的执着与热情,石高全和他的团队又像往常一样,在实验室里开始了新一天的探索。下一个十年,让我们期待在这样一个简单纯粹、勤奋踏实的实验室里,诞生出新的推动基础研究进程的重大科技成果。

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